状態図（状態機械または有限状態機械とも呼ばれる）は、システムやプロセスが時間とともにどのように振る舞うかを視覚的に表現するものです。状態の集合、状態間の遷移、そしてそれらの遷移をトリガーするイベントから構成されています。システムの挙動を離散的な状態と遷移に分解することで、状態図は設計者や開発者がシステムの動作をよりよく理解し、潜在的な問題や改善点を特定するのに役立ちます。
状態図は、自動販売機のような単純な機械から複雑なソフトウェアアプリケーションに至るまで、さまざまなシステムをモデル化するために使用できます。特に、複雑または非線形な挙動を示すシステムのモデリングにおいて、システムが異なる入力や状態に対してどのように反応するかを理解するのが難しい場合に、非常に有用です。全体として、状態図はシステムモデリングの強力なツールであり、システムの挙動を明確で直感的に可視化できるため、設計プロセスの初期段階で潜在的な問題を特定し、対処するのに役立ちます。
簡単な例で学ぶ状態図
この記事は、システムの状態図を作成する方法を学びたい読者を対象としています。自動販売機を例に、シンプルな状態図とより詳細な状態図の両方を提示することで、状態図の作成手順と、要件が明確になるにつれてどのように改良していくかを段階的に説明しています。自動販売機の例を用いることで、システムモデリングや設計の技術的背景がなくても、状態図の概念をより具体的で理解しやすいものとして提供しています。全体として、この記事は、システムの状態図を作成する方法を学び、そのモデリングへの利点を理解したいすべての人にとって有用なリソースです。
例1：自動販売機
問題の説明：正しい金額が投入されたときに飲み物を出荷する自動販売機の状態図を作成する。
ステップ1：状態を特定する
状態図を作成する最初のステップは、システムが取りうる状態を特定することです。自動販売機の場合、以下の状態が考えられます：
- アイドル：ユーザーの入力を待機中
- お金が投入された：ユーザーがお金は投入したが、まだ選択をしていない
- 飲み物が選択された：ユーザーが飲み物を選択したが、まだ受け取っていない
- 飲み物が払い出された：ユーザーが選択した飲み物を受け取った
ステップ2：イベントと遷移を特定する
次のステップは、状態間の遷移をトリガーするイベントを特定することです。この場合、以下のイベントが考えられます：
- お金が投入された
- 飲み物が選択された
- 飲み物が払い出された
これらのイベントに基づいて、以下の遷移を特定できます：
- アイドル → お金が投入された：ユーザーがお金を入れたとき
- お金が投入された → 飲み物が選択された：ユーザーが飲み物を選択したとき
- 飲み物が選択された → 飲み物が払い出された：機械が選択された飲み物を払い出したとき
- 飲み物が払い出された → アイドル：ユーザーが飲み物を受け取り、機械が次の取引に備えたとき
ステップ3：状態図を描く
特定した状態と遷移をもとに、状態図を描くことができます：
自動販売機のより現実的な要件
シンプルな自動販売機の問題では、自動販売機の挙動に関わる異なる状態と遷移を示す基本的な状態図が提示されました。しかし、現実の状況では、資金不足や品切れなどの状況に対応するため、自動販売機はより複雑な挙動を示す必要があります。問題の改訂版では、これらの状況を反映するように状態図にさらに詳細を加え、自動販売機の設計のより現実的な例を提供しています。
以下に、詳細版の自動販売機の問題の改訂された記述を示します：
ユーザーが硬貨を使って商品を購入できるようにする自動販売機を設計する必要があります。自動販売機は以下の挙動を示すべきです：
- 初期状態では、自動販売機は「
アイドル状態で、ユーザーが硬貨を投入するのを待っています。 - ユーザーが硬貨を投入すると、自動販売機は
硬貨受付状態に遷移し、ユーザーが商品を選択するか、硬貨を引き出すまで硬貨を受け付け続けます。 - ユーザーが商品を選択した場合、自動販売機は
商品選択状態に遷移し、ユーザーは選択を確認できます。 - ユーザーが選択を確認した場合、自動販売機は
商品発売状態に遷移し、選択された商品を発売します。 - 商品が発売された後、自動販売機は必要なお釣りを計算し、
お釣り支払い状態に遷移して、ユーザーにお釣りを返却します。 - ユーザーがお釣りを受け取ると、自動販売機は
アイドル状態に戻り、取引は完了します。 - ユーザーの資金が不足している場合、または選択した商品が売り切れの場合、自動販売機は
硬貨拒否状態に遷移し、投入された硬貨を返却します。ここからユーザーは再試行するか、硬貨を引き出して取引を終了できます。
この自動販売機は、上記の状態と遷移を含む状態図で表現できます。この図は、さまざまなプログラミング言語やフレームワークを用いて実装でき、機能的な自動販売機を作成できます。
自動販売機用にさらに詳細な状態チャートを開発する
読者に理解してほしいのは、問題解決はしばしば反復的なプロセスであり、システムの要件は時間とともに変化する可能性があるということです。つまり、問題の簡単なバージョンから始め、要件や制約についてより深く理解するにつれて段階的に修正していくのは問題ありません。
たとえば、自動販売機の問題の場合、自動販売機の主要な状態と遷移を示す基本的な状態図から始めることができます。問題をさらに検討するうちに、売り切れの商品やユーザーへのお釣りの返却といった追加のシナリオを考慮する必要があることに気づくかもしれません。その場合、これらの新しい要件を反映するように状態図を修正できます。
問題解決に段階的アプローチを取ることで、問題の複雑さに圧倒されるのを避け、設計が良好でステークホルダーのニーズを満たすソリューションを確保できます。このアプローチにより、フィードバックを受けたり、問題領域についてより深く理解するにつれて、段階的にソリューションを改善・精緻化できます。
要約
この記事では、自動販売機を例に、システムの状態図の作成方法について説明しています。提示された初期の状態図は、自動販売機の動作に含まれる主要な状態と遷移を示すシンプルなバージョンです。その後、資金不足や商品の売り切れなど、追加のシナリオを考慮したより詳細な状態図が提示されています。記事は、問題解決において段階的アプローチを取ることの重要性を強調しており、問題の簡単なバージョンから始め、要件や制約が明確になるにつれて段階的に改善していくことの意義を述べています。